Paul Scherrer Institut - Paul Scherrer Institute

Das Paul Scherrer Institut ( PSI ) ist ein multidisziplinäres Forschungsinstitut für Natur- und Ingenieurwissenschaften in der Schweiz. Es liegt im Kanton Aargau in den Gemeinden Villigen und Würenlingen beiderseits der Aare und umfasst eine Fläche von über 35 Hektar. Das PSI gehört wie die ETH Zürich und die EPFL zum Eidgenössischen Technischen Hochschulbereich der Schweizerischen Eidgenossenschaft. Das PSI beschäftigt rund 2.100 Mitarbeitende. Es betreibt Grundlagen- und angewandte Forschung in den Bereichen Materie und Materialien, menschliche Gesundheit sowie Energie und Umwelt. Rund 37 % der Forschungsaktivitäten des PSI konzentrieren sich auf Materialwissenschaften, 24 % auf Life Sciences, 19 % auf allgemeine Energie, 11 % auf Kernenergie und Sicherheit und 9 % auf Teilchenphysik.

Das PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Wissenschaftsgemeinschaft zur Verfügung. So kamen 2017 mehr als 2.500 Forschende aus 60 verschiedenen Ländern ans PSI, um die weltweit einzigartige Konzentration von Grossforschungsanlagen an einem Standort zu nutzen. An den rund 40 Messstationen dieser Einrichtungen werden jährlich etwa 1.900 Experimente durchgeführt.

Das Institut war in den letzten Jahren einer der grössten Empfänger von Geldern aus dem Schweizer Lotteriefonds.

Geschichte

Das Institut, benannt nach dem Schweizer Physiker Paul Scherrer wurde 1988 geschaffen , als EIR ( Eidgenössisches Institut für Reaktorforschung , Eidgenössische Forschungsanstalt für Reaktorforschung, 1960 gegründet) mit SIN (verschmolzen wurde Schweizerisches Institut für Nuklearphysik , Schweizerisches Institut für Nuklearforschung, 1968 gegründet). Die beiden Institute auf gegenüberliegenden Seiten der Aare dienten als nationale Forschungszentren: das eine mit Schwerpunkt Kernenergie und das andere mit Kern- und Teilchenphysik. Im Laufe der Jahre erweiterte sich die Forschung an den Zentren auf andere Bereiche, und die Kern- und Reaktorphysik macht heute nur noch 11 Prozent der Forschungsarbeit am PSI aus. Seit die Schweiz 2011 den Ausstieg aus der Kernenergie beschlossen hat, beschäftigt sich diese Forschung vor allem mit Sicherheitsfragen, etwa der sicheren Lagerung radioaktiver Abfälle in einem geologischen Tiefenlager.

Das PSI befindet sich am rechten und linken Aareufer im Kanton Aargau, Schweiz

Seit 1984 betreibt das PSI (zunächst als SIN) das Zentrum für Protonentherapie zur Behandlung von Patienten mit Augenmelanomen und anderen tief im Körper liegenden Tumoren . Dort wurden bisher mehr als 9.000 Patienten behandelt (Stand 2020).

Das Institut ist auch in der Weltraumforschung tätig. So bauten die PSI-Ingenieure 1990 beispielsweise den Detektor des EUVITA-Teleskops für den russischen Satelliten Spectrum XG und belieferten später auch die NASA und die ESA mit Detektoren zur Strahlungsanalyse im Weltraum. 1992 nutzten Physiker Beschleuniger-Massenspektrometrie und Radiokarbon-Methoden , um das Alter von Ötzi , der ein Jahr zuvor in einem Gletscher in den Ötztaler Alpen gefundenen Mumie, aus kleinen Proben von nur wenigen Milligramm Knochen, Gewebe und Gras zu bestimmen . Sie wurden am TANDEM-Beschleuniger auf dem Hönggerberg bei Zürich analysiert , der damals gemeinsam von der ETH Zürich und dem PSI betrieben wurde.

Der in Indien geborene britische Strukturbiologe Venkatraman Ramakrishnan wurde 2009 unter anderem für seine Forschungen an der Synchrotron Light Source Switzerland (SLS) mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Die SLS ist eine von vier Grossforschungsanlagen des PSI. Durch seine dortigen Untersuchungen konnte Ramakrishnan klären, wie Ribosomen aussehen und wie sie auf der Ebene einzelner Moleküle funktionieren. Mithilfe der in den Genen kodierten Informationen produzieren Ribosomen Proteine , die viele chemische Prozesse in lebenden Organismen steuern.

2010 führte ein internationales Forscherteam des PSI eine neue Messung des Protons mit negativen Myonen durch und stellte fest, dass sein Radius deutlich kleiner ist als bisher angenommen: 0,84184 Femtometer statt 0,8768. Dieses Ergebnis war laut Presseberichten nicht nur überraschend, sondern könnte auch bisherige Modelle der Physik in Frage stellen. Die Messungen waren nur mit dem 590-MeV-Protonenbeschleuniger HIPA des PSI möglich, weil sein sekundär erzeugter Myonenstrahl weltweit der einzige ist, der intensiv genug ist, um das Experiment durchzuführen.

2011 gelang es Forschenden des PSI und anderswo mit Hilfe der SLS, die Grundstruktur des Proteinmoleküls Rhodopsin zu entschlüsseln. Dieses optische Pigment fungiert als eine Art Lichtsensor und spielt eine entscheidende Rolle beim Sehvorgang.

Ein am PSI gebauter sogenannter "Barrel-Pixel-Detektor" war ein zentrales Element des CMS-Detektors des Genfer Kernforschungszentrums CERN und damit an der Detektion des Higgs-Bosons beteiligt. Diese am 4. Juli 2012 angekündigte Entdeckung wurde ein Jahr später mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Im Januar 2016 wurden 20 Kilogramm Plutonium vom PSI in die USA gebracht. Laut einem Zeitungsbericht verfügte die Bundesregierung über ein geheimes Plutoniumlager, in dem das Material seit den 1960er Jahren aufbewahrt worden war, um wie damals geplant eine Atombombe zu bauen. Der Bundesrat bestritt dies, hielt den Plutonium-239-Gehalt des Materials bei unter 92 Prozent, was bedeutete, dass es sich nicht um waffenfähiges Material handelte. Die Idee war vielmehr, das Material aus wiederaufbereiteten Brennstäben des von 1960 bis 1977 betriebenen Forschungsreaktors Diorit zu nutzen, um eine neue Generation von Brennelementtypen für Kernkraftwerke zu entwickeln. Dies ist jedoch nie passiert. Als 2011 beschlossen wurde, aus der Kernenergie auszusteigen, war klar, dass es in der Schweiz keine weitere Verwendung für das Material gibt. Der Bundesrat hat auf dem Nuklearen Sicherheitsgipfel 2014 beschlossen, den Schweizer Plutoniumspeicher zu schließen. Durch ein bilaterales Abkommen zwischen den beiden Ländern konnte das Plutonium dann zur weiteren Lagerung in die USA überführt werden.

PSI-Direktoren
Begriff	Direktor
1988–1990	Jean-Pierre Blaser
1990–1991	Anton Menth
1991–1992	Wilfred Hirt (Interim)
1992–2002	Meinrad Eberle
2002–2007	Ralph Eichler
2007–2008	Martin Jermann (Interim)
2008–2018	Joël Mesot
2019–2020	Thierry Strässle (Interim)
Seit 1. April 2020	Christian Rüegg

Im Juli 2017 wurde die dreidimensionale Ausrichtung der Magnetisierung innerhalb eines dreidimensionalen magnetischen Objekts mit Hilfe der SLS untersucht und visualisiert, ohne das Material zu beeinflussen. Die Technologie soll bei der Entwicklung besserer Magnete nützlich sein, beispielsweise für Motoren oder Datenspeicher.

Joël François Mesot, der langjährige Direktor des PSI (2008 bis 2018), wurde Ende 2018 zum Präsidenten der ETH Zürich gewählt. Sein Amt wurde ab Januar 2019 kommissarisch vom Physiker und PSI-Stabschef Thierry Strässle übernommen. Seit April 2020 ist der Physiker Christian Rüegg Direktor des PSI. Zuvor leitete er den PSI-Forschungsbereich Neutronen und Myonen.

Im Laufe der Jahre wurden zahlreiche PSI- Spin-off-Unternehmen gegründet, um die Forschungsergebnisse einer breiten Gesellschaft zugänglich zu machen. Größtes Spin-off mit 120 Mitarbeitern ist die 2006 gegründete DECTRIS AG im nahe gelegenen Baden, die sich auf die Entwicklung und Vermarktung von Röntgendetektoren spezialisiert hat. Bereits 1999 wurde die SwissNeutronics AG in Klingnau gegründet, die optische Komponenten für Neutronenforschungsanlagen vertreibt. Mehrere jüngere PSI-Ableger wie der Hersteller von metallorganischen Gerüsten novoMOF oder der Medikamentenentwickler LeadXpro haben sich in der Nähe des PSI im Park angesiedelt Innovaare, das 2015 mit Unterstützung mehrerer Unternehmen und des Kantons Aargau gegründet wurde.

PSI-Verwaltungsgebäude im PSI Ost in Würenlingen

Forschung und Fachgebiete

Das PSI entwickelt, baut und betreibt mehrere Beschleunigeranlagen , z. g. a 590 MeV Hochstrom- Zyklotron , die im Normalbetrieb liefert ein Strahlstrom von etwa 2,2 mA. PSI betreibt auch vier Großforschungseinrichtungen: eine Synchrotronstrahlungsquelle (SLS), die besonders brillant und stabil ist , ein Spallationsneutronenquelle (SINQ), eine Myon Quelle (SμS) und ein Röntgen Freie-Elektronen-Laser ( SwissFEL ). Damit stellt das PSI derzeit (2020) als einziges Institut weltweit die vier wichtigsten Sonden zur Erforschung der Struktur und Dynamik kondensierter Materie (Neutronen, Myonen und Synchrotronstrahlung) auf einem Campus für die internationale Nutzergemeinschaft zur Verfügung. Darüber hinaus produzieren die Zielanlagen von HIPA auch Pionen, die die Myonenquelle speisen, und die Ultrakalte Neutronenquelle UCN produziert sehr langsame, ultrakalte Neutronen. All diese Teilchenarten werden für die Forschung in der Teilchenphysik verwendet.

Mit Hilfe dieser Einrichtungen wird am PSI geforscht. Zu seinen Schwerpunkten gehören:

Materie und Material

Alle Materialien, mit denen der Mensch arbeitet, bestehen aus Atomen . Die Wechselwirkung der Atome und ihre Anordnung bestimmen die Eigenschaften eines Materials. Die meisten Forschenden im Bereich Materie und Materialien am PSI wollen mehr darüber herausfinden, wie die innere Struktur verschiedener Materialien mit ihren beobachtbaren Eigenschaften zusammenhängt. Grundlagenforschung in diesem Bereich trägt zur Entwicklung neuer Materialien mit einem breiten Anwendungsspektrum bei, beispielsweise in der Elektrotechnik , Medizin , Telekommunikation , Mobilität , neuen Energiespeichern , Quantencomputern und Spintronik . Zu den untersuchten Phänomenen gehören Supraleitung , Ferro- und Antiferromagnetismus , Spinflüssigkeiten und topologische Isolatoren .

Neutronen werden am PSI intensiv für die Materialforschung eingesetzt, weil sie einen einzigartigen und zerstörungsfreien Zugang zum Inneren von Materialien in einer Größenordnung von Atomgrößen bis hin zu zentimeterlangen Objekten ermöglichen. Sie dienen damit als ideale Sonden für die Untersuchung grundlegender und angewandter Forschungsthemen wie Quantenspinsysteme und deren Einsatzpotenzial in zukünftigen Computertechnologien, die Funktionalitäten komplexer Lipidmembranen und deren Einsatz für den Transport und die gezielte Freisetzung von Wirkstoffen sowie als Aufbau neuartiger Materialien zur Energiespeicherung als Schlüsselkomponenten in intelligenten Energienetzen.

In der Teilchenphysik untersuchen PSI-Forscher den Aufbau und die Eigenschaften der innersten Materieschichten und was sie zusammenhält. Myonen, Pionen und ultrakalte Neutronen werden verwendet, um das Standardmodell der Elementarteilchen zu testen , grundlegende Naturkonstanten zu bestimmen und Theorien zu testen, die über das Standardmodell hinausgehen. Die Teilchenphysik am PSI hält viele Rekorde, darunter die genaueste Bestimmung der Kopplungskonstanten der schwachen Wechselwirkung und die genaueste Messung des Ladungsradius des Protons. Einige Experimente zielen darauf ab, Effekte zu finden, die im Standardmodell nicht vorgesehen sind, aber Inkonsistenzen in der Theorie korrigieren oder ungeklärte Phänomene aus Astrophysik und Kosmologie lösen könnten. Ihre bisherigen Ergebnisse stimmen mit dem Standardmodell überein. Beispiele sind die im MEG-Experiment gemessene Obergrenze des hypothetischen Zerfalls positiver Myonen in Positronen und Photonen sowie die des permanenten elektrischen Dipolmoments für Neutronen.

Myonen sind nicht nur in der Teilchenphysik nützlich, sondern auch in der Festkörperphysik und den Materialwissenschaften. Die Myon Spinspektroskopie - Methode (μSR) wird verwendet , um die grundlegenden Eigenschaften von magnetischen und supraleitenden Materialien sowie zur Untersuchung von Halbleitern , Isolatoren und Halbleiterstrukturen, einschließlich der technisch relevanten Anwendungen wie für Solarzellen.

Energie und Umwelt

Forschende des PSI befassen sich mit allen Aspekten der Energienutzung mit dem Ziel, die Energieversorgung nachhaltiger zu gestalten. Schwerpunkte sind: neue Technologien für erneuerbare Energien , verlustarme Energiespeicherung, Energieeffizienz , schadstoffarme Verbrennung, Brennstoffzellen , experimentelle und modellbasierte Bewertung von Energie- und Stoffkreisläufen, Umweltwirkungen von Energieerzeugung und -verbrauch sowie Kernenergie Forschung, insbesondere Reaktorsicherheit und Abfallwirtschaft .

Zur Beantwortung spezifischer Fragen zur saisonalen Energiespeicherung und Sektorkopplung betreibt das PSI die Experimentalplattform ESI (Energy System Integration) . Die Plattform kann in Forschung und Industrie eingesetzt werden, um vielversprechende Ansätze zur Integration erneuerbarer Energien in das Energiesystem zu testen – zum Beispiel überschüssigen Strom aus Sonnen- oder Windkraft in Form von Wasserstoff oder Methan zu speichern .

Am PSI wurde mit Hilfe der ESI-Plattform gemeinsam mit dem Zürcher Energieversorger Energie 360° eine Methode zur Gewinnung von deutlich mehr Methangas aus Bioabfällen entwickelt und erfolgreich getestet. Das Team wurde mit dem Watt d'Or 2018 des Bundesamts für Energie ausgezeichnet .

Am PSI wird auch eine Plattform für die Katalysatorforschung unterhalten. Die Katalyse ist ein zentraler Bestandteil in verschiedenen Energieumwandlungsprozessen, beispielsweise in Brennstoffzellen, der Wasserelektrolyse und der Methanisierung von Kohlendioxid.

Um die Schadstoffemissionen verschiedener Energiegewinnungsverfahren und das Verhalten der entsprechenden Stoffe in der Atmosphäre zu testen, betreibt das PSI zudem eine Smogkammer.

Ein weiterer Forschungsbereich des PSI beschäftigt sich mit den Auswirkungen der Energieproduktion auf die Atmosphäre vor Ort, unter anderem in den Alpen, in den Polarregionen der Erde und in China.

Die Abteilung Kernenergie und Sicherheit widmet sich der Aufrechterhaltung eines guten nuklearen Know-hows und damit der Ausbildung von Wissenschaftlern und Ingenieuren in der Kernenergie. Das PSI unterhält beispielsweise eines der wenigen Labore in Europa zur Untersuchung von Brennstäben in kommerziellen Reaktoren. Die Abteilung arbeitet eng mit der ETH Zürich , der EPFL und der Universität Bern zusammen und nutzt beispielsweise deren Hochleistungsrechner oder den Forschungsreaktor CROCUS der EPFL.

Menschliche Gesundheit

Das PSI ist weltweit eine der führenden Institutionen in der Erforschung und Anwendung der Protonentherapie zur Behandlung von Krebs. Seit 1984 behandelt das Zentrum für Protonentherapie Krebspatienten erfolgreich mit einer speziellen Form der Strahlentherapie. Bis heute wurden mehr als 7500 Patienten mit Augentumoren bestrahlt (Stand 2020). Die Erfolgsquote der Augentherapie mit der OPTIS-Anlage liegt bei über 98 Prozent.

1996 wurde erstmals eine Bestrahlungseinheit (Gantry 1) mit der am PSI entwickelten sogenannten Spot-Scanning-Protonentechnik ausgestattet. Bei dieser Technik werden Tumore tief im Körperinneren mit einem Protonenstrahl von etwa 5 bis 7 mm Breite dreidimensional abgetastet. Durch die Überlagerung vieler einzelner Protonenspots – etwa 10.000 Spots pro Liter Volumen – wird der Tumor gleichmäßig der notwendigen Strahlendosis ausgesetzt, die für jeden Spot einzeln überwacht wird. Dies ermöglicht eine äußerst präzise, homogene Bestrahlung, die optimal an die meist unregelmäßige Form des Tumors angepasst ist. Die Technik ermöglicht es, möglichst viel des umliegenden gesunden Gewebes zu schonen. Die erste Gantry war von 1996 bis Ende 2018 für Patienten in Betrieb. 2013 ging die am PSI entwickelte zweite Gantry 2 in Betrieb und Mitte 2018 wurde mit der Gantry 3 eine weitere Behandlungsstation eröffnet.

Im Bereich Radiopharmazie deckt die Infrastruktur des PSI das gesamte Spektrum ab. PSI-Forschende beschäftigen sich insbesondere mit sehr kleinen Tumoren, die im ganzen Körper verteilt sind. Diese können mit den üblichen Strahlentherapietechniken nicht behandelt werden. Mit Hilfe der Protonenbeschleuniger und der Neutronenquelle SINQ am PSI wurden jedoch neue medizinisch anwendbare Radionuklide hergestellt. In Kombination zur Therapie mit speziellen Biomolekülen – sogenannten Antikörpern – können therapeutische Moleküle gebildet werden, um Tumorzellen gezielt und gezielt nachzuweisen. Diese werden dann mit einem radioaktiven Isotop markiert. Seine Strahlung lässt sich mit bildgebenden Verfahren wie SPECT oder PET lokalisieren , was die Diagnose von Tumoren und deren Metastasen ermöglicht. Außerdem kann es so dosiert werden, dass es auch die Tumorzellen zerstört. Am PSI wurden mehrere solcher radioaktiver Stoffe entwickelt. In enger Zusammenarbeit mit Universitäten, Kliniken und der pharmazeutischen Industrie werden sie derzeit in klinischen Studien getestet. Bei Bedarf beliefert das PSI auch lokale Spitäler mit Radiopharmaka.

Seit der Eröffnung der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) ist die Strukturbiologie ein weiterer Forschungsschwerpunkt im Bereich der menschlichen Gesundheit. Hier werden Struktur und Funktion von Biomolekülen untersucht – vorzugsweise in atomarer Auflösung. Die PSI-Forschenden beschäftigen sich vor allem mit Proteinen. Jede lebende Zelle braucht unzählige dieser Moleküle, um zum Beispiel Signale zu verstoffwechseln, zu empfangen und weiterzugeben oder sich zu teilen. Ziel ist es, diese Lebensprozesse besser zu verstehen und so Krankheiten effektiver behandeln oder vorbeugen zu können.

Das PSI untersucht zum Beispiel den Aufbau von filamentösen Strukturen, den sogenannten Mikrotubuli , die bei der Zellteilung unter anderem Chromosomen auseinanderziehen. Sie bestehen aus langen Proteinketten. Wenn eine Chemotherapie zur Behandlung von Krebs eingesetzt wird, stört sie den Auf- oder Abbau dieser Ketten, so dass sich die Krebszellen nicht mehr teilen können. Forscher beobachten die Struktur dieser Proteine und wie sie sich verändern, um herauszufinden, wo genau Krebsmedikamente die Mikrotubuli angreifen müssen. Mit Hilfe des 2016 eingeweihten Freie-Elektronen-Röntgenlasers SwissFEL des PSI konnten Forschende dynamische Prozesse in Biomolekülen mit extrem hoher Zeitauflösung – weniger als einer Billionstelsekunde (Pikosekunde) – analysieren. Sie haben zum Beispiel entdeckt, wie bestimmte Proteine in den Photorezeptoren der Netzhaut unserer Augen durch Licht aktiviert werden.

Beschleuniger und Großforschungsanlagen am PSI

Protonenbeschleunigeranlage

Während der 1974 in Betrieb genommene Protonenbeschleuniger des PSI in der Anfangszeit vor allem in der Elementarteilchenphysik eingesetzt wurde , stehen heute Anwendungen für die Festkörperphysik , die Radiopharmazeutika und die Krebstherapie im Fokus . Seit seiner Inbetriebnahme wurde es ständig weiterentwickelt und seine Leistung beträgt heute bis zu 2,4 mA und ist damit 24 mal höher als die anfänglichen 100 µA. Deshalb gilt die Anlage heute als Hochleistungs-Protonenbeschleuniger, kurz HIPA (High Intensity Proton Accelerator). Im Wesentlichen besteht es aus drei in Reihe geschalteten Beschleunigern: dem Cockcroft-Walton, dem Injektor-2-Zyklotron und dem Ringzyklotron. Sie beschleunigen die Protonen auf rund 80 Prozent der Lichtgeschwindigkeit .

Protonenquelle und Cockcroft-Walton

In einer Protonenquelle auf der Grundlage Zyklotron - Resonanz, Mikrowellen verwendeten Elektronen Atom von Wasserstoff strippen. Zurück bleiben die Wasserstoffatomkerne, die jeweils nur aus einem Proton bestehen. Diese Protonen verlassen die Quelle mit einem Potential von 60 Kilovolt und werden dann in einer Beschleunigerröhre mit einer weiteren Spannung von 810 Kilovolt beaufschlagt . Beide Spannungen werden von einem Cockcroft-Walton-Beschleuniger geliefert . Mit insgesamt 870 Kilovolt werden die Protonen auf eine Geschwindigkeit von 46 Millionen km/h oder 4 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Die Protonen werden dann dem Injector-2 zugeführt.

Injektor-1

Mit Injector-1 konnten Betriebsströme von 170 µA und Spitzenströme von 200 µA erreicht werden. Es wurde auch für Low-Energy-Experimente, für die OPTIS-Augentherapie und für das LiSoR-Experiment im MEGAPIE-Projekt verwendet. Seit dem 1. Dezember 2010 ist dieser Ringbeschleuniger außer Betrieb.

Injektor-2

Injektor-2

Typ:	Isochrones Spiral-Back-Zyklotron
Magnete:	4 Einheiten
Gesamtmagnetmasse:	760 t
Beschleunigungselemente:	4 Resonatoren (50 MHz)
Extraktionsenergie:	72 MeV

Der 1984 in Betrieb genommene und von der damaligen SIN entwickelte Injector-2 löste den Injector-1 als Injektionsmaschine für das 590 MeV-Ringzyklotron ab. Während zunächst Injector-1 und Injector-2 abwechselnd betrieben werden konnten, wird nun nur noch Injector-2 verwendet, um den Protonenstrahl in den Ring einzuspeisen. Mit dem neuen Zyklotron konnte der Strahlstrom von 1 auf 2 mA gesteigert werden, was den absoluten Rekordwert der 1980er Jahre darstellte. Heute liefert der Injektor-2 einen Strahlstrom von ≈ 2,2 mA im Routinebetrieb und 2,4 mA im Hochstrombetrieb bei 72 MeV, was etwa 38 Prozent der Lichtgeschwindigkeit entspricht.

Wurden ursprünglich zwei Resonatoren mit 150 MHz im Flat-Top-Modus betrieben, um eine klare Trennung der Protonenbahnen zu ermöglichen, werden diese nun auch zur Beschleunigung genutzt. Ein Teil des extrahierten 72 MeV-Protonenstrahls kann zur Isotopenproduktion abgespalten werden , während der Hauptteil zur weiteren Beschleunigung in das Ringzyklotron eingespeist wird.

Ring

PSI Ringzyklotron

Typ:	Isochrones Spiral-Back-Zyklotron
Magnete:	8 Einheiten
Gesamtmagnetmasse:	2000 t
Beschleunigungselemente:	4 (5) Kavitäten (50 MHz)
Extraktionsenergie:	590 MeV

Wie der Injector-2 ging auch das Ringzyklotron mit einem Umfang von rund 48 m 1974 in Betrieb. Es wurde speziell am SIN entwickelt und ist das Herzstück der Protonenbeschleunigeranlagen des PSI. Auf der rund 4 km langen Strecke, die die Protonen innerhalb des Rings in 186 Runden zurücklegen, werden die Protonen auf 80 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Dies entspricht einer kinetischen Energie von 590 MeV. Weltweit existieren nur drei solcher Ringe, nämlich: TRIUMF in Vancouver, Kanada; LAMPF in Los Alamos, USA; und der am PSI. TRIUMF hat nur Strahlströme von 500 µA und LAMPF 1 mA erreicht.

Zusätzlich zu den vier ursprünglichen Cavities kam 1979 eine kleinere fünfte Cavity hinzu. Sie wird mit 150 Megahertz als Flat-Top-Cavity betrieben und hat eine deutliche Steigerung der Zahl der extrahierten Partikel ermöglicht. Seit 2008 werden alle alten Aluminiumkavitäten des Ring Cyclotrons durch neue Kupferkavitäten ersetzt. Diese ermöglichen höhere Spannungsamplituden und damit eine größere Beschleunigung der Protonen pro Umdrehung. Damit konnte die Umdrehungszahl der Protonen im Zyklotron von ca. 200 auf 186, und die Distanz, die die Protonen im Zyklotron zurücklegen, verringerte sich von 6 km auf 4 km. Mit einem Strahlstrom von 2,2 mA ist diese Protonenanlage am PSI derzeit der leistungsstärkste kontinuierliche Teilchenbeschleuniger der Welt. Der 1,3 MW starke Protonenstrahl wird auf die Myonenquelle (SμS) und die Spallationsneutronenquelle (SINQ) gerichtet.

Schweizer Myonenquelle (SμS)

In der Mitte der großen Experimentierhalle kollidiert der Protonenstrahl des Ringzyklotrons mit zwei Targets – Ringen aus Kohlenstoff . Bei den Kollisionen der Protonen mit den atomaren Kohlenstoffkernen werden zunächst Pionen gebildet und zerfallen dann nach etwa 26 Milliardstel Sekunden in Myonen . Magnete leiten diese Myonen dann zu Instrumenten, die in der Materialwissenschaft und Teilchenphysik verwendet werden. Dank des enorm hohen Protonenstroms des Ringzyklotrons ist die Myonenquelle in der Lage, die stärksten Myonenstrahlen der Welt zu erzeugen. Damit können Forscher Experimente in der Teilchenphysik und den Materialwissenschaften durchführen, die sonst nirgendwo möglich sind.

Die Swiss Myon Source (SμS) verfügt über sieben Strahllinien, mit denen Wissenschaftler verschiedene Aspekte der modernen Physik untersuchen können. Einige Materialwissenschaftler verwenden sie für Myon-Spin-Spektroskopie- Experimente. Das PSI ist weltweit der einzige Ort, an dem ein Myonenstrahl ausreichender Intensität bei einer sehr niedrigen Energie von nur wenigen Kiloelektronenvolt zur Verfügung steht – dank der hohen Myonenintensität der Myonenquelle und einem speziellen Verfahren. Die entstehenden Myonen sind langsam genug, um dünne Materialschichten und Oberflächen analysieren zu können. Für solche Untersuchungen stehen sechs Messstationen (FLAME (ab 2021), DOLLY, GPD, GPS, HAL-9500 und LEM) mit Instrumenten für unterschiedlichste Anwendungen zur Verfügung.

Teilchenphysiker nutzen einige der Strahlführungen, um hochpräzise Messungen durchzuführen, um die Grenzen des Standardmodells zu testen.

Schweizer Spallations-Neutronenquelle (SINQ)

Die seit 1996 in Betrieb befindliche Neutronenquelle SINQ war die erste und bis heute stärkste ihrer Art. Es liefert einen kontinuierlichen Neutronenfluss von 10 ¹⁴ n cm ⁻² s ⁻¹ . In SINQ treffen die Protonen des großen Teilchenbeschleunigers auf ein Bleitarget und schlagen die Neutronen aus den Bleikernen heraus und stehen damit für Experimente zur Verfügung. Ein Moderator aus flüssigem Deuterium ermöglicht neben thermischen Neutronen auch die Erzeugung langsamer Neutronen, die ein niedrigeres Energiespektrum haben .

Die MEGAPIE Target ( Mega - Watt - Pi lot- E Xperiment) in Betrieb genommen im Sommer 2006 durch das durchgehende Ziel mit einem Ziel einer Ersetzung gemacht Blei-Wismut - Eutektikum , könnte die Neutronenausbeute um etwa weitere 80% erhöht werden.

Da eine Veräußerung des MEGAPIE-Targets sehr kostspielig wäre, hat sich PSI im Jahr 2009 entschieden, kein weiteres derartiges Target zu produzieren und stattdessen das solide Target, wie es sich bereits bewährt hat, weiterzuentwickeln. Basierend auf den Erkenntnissen aus dem MEGAPIE-Projekt konnte eine fast ebenso große Steigerung der Neutronenausbeute für den Betrieb mit einem festen Target erzielt werden.

SINQ war eine der ersten Einrichtungen, die speziell entwickelte Lichtleitsysteme zum Transport langsamer Neutronen einsetzte. Metallbeschichtete Glasleiter leiten Neutronen mittels Totalreflexion analog zur Lichtleitung in Glasfasern über größere Distanzen (wenige zehn Meter) mit geringem Intensitätsverlust. Die Effizienz dieser Neutronenleiter hat sich mit den Fortschritten in der Fertigungstechnologie stetig erhöht. Aus diesem Grund hat sich das PSI 2019 für eine umfassende Aufrüstung entschieden. Wenn SINQ im Sommer 2020 wieder in Betrieb geht, wird es im Durchschnitt fünfmal mehr Neutronen für Experimente bereitstellen können, im Sonderfall sogar 30-mal mehr.

Die 15 Instrumente von SINQ werden nicht nur für PSI-Forschungsprojekte eingesetzt, sondern stehen auch nationalen und internationalen Nutzern zur Verfügung.

Ultrakalte Neutronenquelle (UCN)

Seit 2011 betreibt das PSI zudem eine zweite Spallations-Neutronenquelle zur Erzeugung ultrakalter Neutronen (UCN). Im Gegensatz zu SINQ ist es gepulst und nutzt das Fernlicht von HIPA, aber normalerweise nur alle 5 Minuten für 8 Sekunden. Das Design ähnelt dem von SINQ. Um die Neutronen abzukühlen, verwendet es jedoch gefrorenes Deuterium mit einer Temperatur von 5 Kelvin (entspricht -268 Grad Celsius) als Kältemoderator. Das erzeugte UCN kann in der Anlage gelagert und einige Minuten in Experimenten beobachtet werden.

COMET Zyklotron

Dieses supraleitende 250 MeV Zyklotron ist seit 2007 für die Protonentherapie im Einsatz und liefert den Strahl zur Behandlung von Tumoren bei Krebspatienten. Es war das weltweit erste supraleitende Zyklotron, das zur Protonentherapie eingesetzt wurde. Zuvor wurde hierfür ein Teil des Protonenstrahls aus dem Ringzyklotron abgespalten, doch seit 2007 produziert die medizinische Einrichtung eigenständig einen eigenen Protonenstrahl, der mehrere Bestrahlungsstationen für die Therapie versorgt. Auch andere Komponenten der Anlage, die Peripherie und die Leittechnik wurden inzwischen verbessert, sodass die Anlage heute mit mehr als 7000 Betriebsstunden pro Jahr über 98 Prozent der Zeit verfügbar ist.

Schweizer Lichtquelle (SLS)

Seit dem 1. August 2001 ist die Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS), ein Elektronen- Synchrotron , in Betrieb. Es funktioniert wie eine Art kombiniertes Röntgengerät und Mikroskop , um verschiedenste Substanzen zu untersuchen. In der kreisförmigen Struktur bewegen sich die Elektronen auf einer kreisförmigen Bahn von 288 m Umfang und emittieren Synchrotronstrahlung in tangentialer Richtung. Insgesamt 350 Magnete halten den Elektronenstrahl auf seiner Bahn und fokussieren ihn. Beschleunigungshohlräume sorgen dafür, dass die Geschwindigkeit des Strahls konstant bleibt.

Panoramablick auf die Synchrotron Lichtquelle Schweiz

Seit 2008 ist die SLS der Beschleuniger mit dem dünnsten Elektronenstrahl der Welt. Daran arbeiten Forschende und Techniker des PSI seit acht Jahren und haben jeden der vielen Magnete immer wieder neu justiert. Die SLS bietet ein sehr breites Spektrum an Synchrotronstrahlung von Infrarotlicht bis zu harter Röntgenstrahlung. Damit können Forscher mikroskopische Aufnahmen im Inneren von Objekten, Materialien und Gewebe machen, um beispielsweise Materialien zu verbessern oder Medikamente zu entwickeln.

2017 ermöglichte ein neues Instrument an der SLS erstmals einen Blick ins Innere eines Computerchips, ohne ihn zu zerstören. Strukturen wie 45 Nanometer schmale Stromleitungen und 34 Nanometer hohe Transistoren wurden sichtbar. Diese Technologie ermöglicht es Chipherstellern beispielsweise einfacher zu überprüfen, ob ihre Produkte den Spezifikationen entsprechen.

Aktuell ist unter dem Arbeitstitel „SLS 2.0“ geplant, die SLS aufzurüsten und damit eine Synchrotronlichtquelle der vierten Generation zu schaffen.

SwissFEL

Der Freie-Elektronen-Laser SwissFEL wurde am 5. Dezember 2016 von Bundesrat Johann Schneider-Ammann offiziell eröffnet. 2018 wurde die erste Strahllinie ARAMIS in Betrieb genommen. Die zweite Strahllinie ATHOS soll im Herbst 2020 folgen. Weltweit sind nur vier vergleichbare Anlagen in Betrieb.

Trainingszentrum

Das PSI Education Center verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung in der Aus- und Weiterbildung in technischen und interdisziplinären Bereichen. Es schult jährlich über 3.000 Teilnehmer.

Das Zentrum bietet ein breites Angebot an Aus- und Fortbildungskursen sowohl für Fachleute als auch für andere, die mit ionisierender Strahlung oder radioaktiven Stoffen arbeiten. Die Kurse, in denen die Teilnehmer die entsprechenden Fachkenntnisse erwerben, sind vom Bundesamt für Gesundheit (BAG) und vom Eidgenössischen Nuklearsicherheitsinspektorat (ENSI) anerkannt.

Zudem führt sie Aus- und Weiterbildungskurse für Mitarbeitende des PSI und interessierte Personen aus dem ETH-Bereich durch. Seit 2015 werden auch Kurse zur Personalentwicklung (wie Konfliktmanagement , Führungsworkshops, Kommunikation und übertragbare Kompetenzen) durchgeführt.

Die Qualität des PSI Bildungszentrums ist zertifiziert (ISO 29990:2001).

Zusammenarbeit mit der Industrie

Das PSI hält rund 100 aktive Patentfamilien, beispielsweise in der Medizin, mit Untersuchungstechniken zur Protonentherapie gegen Krebs oder zum Nachweis von Prionen, dem Erreger des Rinderwahnsinns . Weitere Patentfamilien liegen im Bereich der Photowissenschaften, mit speziellen Lithographieverfahren zur Strukturierung von Oberflächen, in den Umweltwissenschaften zum Recycling von Seltenen Erden , für Katalysatoren oder zur Vergasung von Biomasse, in den Materialwissenschaften und in anderen Bereichen. Das PSI unterhält ein eigenes Technologietransferbüro für Patente.

So wurden beispielsweise Detektoren in Hochleistungs-Röntgenkameras der Swiss Synchrotron Light Source SLS patentiert, mit denen Materialien auf atomarer Ebene untersucht werden können. Diese bildeten die Grundlage für die Gründung des Unternehmens DECTRIS, der bisher größten Ausgründung aus dem PSI. 2017 hat das Lausanner Unternehmen Debiopharm den Wirkstoff 177Lu-PSIG-2 lizenziert, der am Zentrum für Radiopharmazeutische Wissenschaften des PSI entwickelt wurde. Diese Substanz ist wirksam bei der Behandlung einer Art von Schilddrüsenkrebs. Es soll unter dem Namen DEBIO 1124 mit dem Ziel der Zulassung und Marktreife weiterentwickelt werden. Ein weiteres PSI-Spin-off, GratXray, arbeitet mit einer Methode, die auf Phasenkontrasten in der Gitterinterferometrie basiert. Die Methode wurde ursprünglich entwickelt, um Synchrotronstrahlung zu charakterisieren und soll zum Goldstandard bei der Früherkennung von Brustkrebs werden. Die neue Technologie kam bereits in einem Prototyp zum Einsatz, den PSI in Zusammenarbeit mit Philips entwickelt hat.

Siehe auch

Verweise

Externe Links

Koordinaten : 47°32′10″N 8°13′22″E / 47.53611°N 8.22278°E / 47.53611; 8.22278

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